Фізики охолодили TmVO4 з 5 до 2,36 кельвіна за допомогою еластокалоричного ефекту - явища, при якому розтягування або стиснення матеріалу призводить до зниження його температури. Вчені також зафіксували нелінійний характер процесу — еластокалоричне охолодження досягло свого максимуму за початкової температури зразка 3,6 кельвіна. Результати дослідження опубліковані у Physical Review Applied.
Щоб досягти температур у кілька кельвінів або нижче для макроскопічної кількості речовини, фізики зазвичай використовують один із двох перевірених методів: охолодження за допомогою рідкого гелію або адіабатичне ядерне розмагнічування. Перший спосіб вимагає дорогого ізотопу гелію, який дуже рідко знаходять у природі, а для другого необхідне громіздке та складне обладнання, що генерує сильні магнітні поля, через що вчені постійно шукають нові шляхи, щоб отримати наднизькі температури.
Еластокалоричний ефект – один із альтернативних кандидатів для кріогенних технологій. Суть цього ефекту в тому, що при адіабатичному (тобто без обміну теплом із навколишнім середовищем) розтягуванні чи стисканні матеріал втрачає частину внутрішньої енергії, тим самим охолоджуючись. Однак на сьогоднішній день є дві проблеми: по-перше, дослідники ще не розробили методи вимірювання еластокалоричного ефекту при нульових температурах, а по-друге, виявили не так багато матеріалів з відповідними властивостями.
Марк Зік (Mark Zic) зі Стенфордського університету спільно з колегами зі США продемонстрував охолодження в області наднизьких температур за допомогою ванадату тулію, який виявляє еластокалоричні властивості завдяки ефекту Яна — Теллера: при асиметричній деформації дублет основного стану іона Tm3+ розщеплюється, поглинаючи.
Для цього фізики виростили монокристали TmVO4 і помістили їх між пластинами тензоелементу, який при подачі напруги забезпечив деформацію зразків у двох різних напрямках, створюючи асиметричне викривлення кристалічних ґрат. Перед кожним новим експериментом вчені спочатку вимірювали початкову температуру матеріалу за допомогою датчика на основі діоксиду рутенію і задавали первинну деформацію (у більшості дослідів це було стиск величиною −2,7 × 10-3), а потім передавали тензоелементу імпульс тривалістю порядку секунди, який деформував.
В результаті фізики помітили, що коли деформація збільшувалася, зростало і охолодження зразка, проте при досягненні значення -1,8 × 10-3 (знак мінус означає деформацію стиснення) охолодження матеріалу помітно зменшується. При цьому еластокалоричний ефект практично був відсутній при початковій температурі ванадату тулію 8 кельвін і досягав свого максимуму при 3,6 кельвіна. Максимальне експериментальне охолодження, яке зафіксували вчені, дорівнювало приблизно 2,64 кельвіна (зразок охолонув з 5 до 2,36 кельвіна) при деформації розтягування близько 1,8 × 10-3. Щоб оцінити ефективність розробленого охолоджувача, дослідники підрахували його об'ємну питому потужність - вона склала 0,34 Вт на кубічний сантиметр для зразка масою 0,19 міліграм.
Оскільки еластокалоричні властивості виникають у матеріалі за рахунок ефекту Яна — Теллера, автори роботи також запропонували використовувати ядерний магнітний резонанс та комбінаційне розсіювання для пошуку нових кандидатів та перевірки їх кріогенних здібностей.
Про те, як фізики використовували інший екзотичний метод — «темні» стани частинок, і охолодили хмару молекул до рекордно низької температури, ми писали раніше.